回流焊冷却过程中PBGA焊点力学行为分析.pdf

第33卷第7期
焊接学报
Vol 33 No. 7
2 0 1 2 f 7 A TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION July 201 2
回流焊冷却过程中PBGA焊点力学行为分析
魏鹤琳,王奎升
(北京化工大学机电工程学院,北京100029
摘要:以热弹塑性理论为基础,建立球栅阵列PBGA焊点在回流焊工艺中焊接应力
的有限元模型,利用 ANSYS的热结构耦合功能,采用生死单元法对Sn-AgCu焊点回流
焊的冷却过程进行数值模拟分析.焊点冷却结晶后的初始阶段,等效应力随温度的降
低快速增加,当焊点的温度逐渐降低至室温时,等效应力为最大,结果表明,在回流焊
接工艺中,PBGA焊点的裂纹极可能发生在焊料冷却结晶后的初始阶段,在焊点高应力
集中区首先开裂,并在应力的作用下沿界面逐渐扩展.对焊料凝固初期冷却速率的控
制是减少焊接裂纹产生的有效方法
关键词:力学行为;焊点;回流焊接;裂纹;热疲劳
中图分类号:TC454文献标识码:A文章编号:0253-360X(2012)07-0085-04
魏琳
0序言
能,采用生死单元技术对PBCA焊点冷却凝固后的
温度分布场、瞬态应力场进行有限元模拟分析
生产制造引起的缺陷是焊点失效的重要因素之
在表面贴装技术SMT( surface mount technology)
1焊点回流焊接应力的有限元模拟
电子产品中,回流焊接是决定产品最终质量的关键
环节,表面贴装器件在回流焊工艺及温度循环效1.1模型的建立
应下引起的形变基本由焊点承担,相比具有柔性引
建立几何模型及有限元网格模型如图1和图2
脚的插接器件,其可靠性明显降低2.试验结果表所示,PBGA焊点间距为0.75mm,引脚数为64(8
明,在回流焊过程中,为了抑制焊料与基板金属发生×8)个,PBGA器件厚度为1.05mm,印刷电路板
过度的界面反应,采用加速冷却是一个切实有效的( printed circuit board,PCB)材料为FR4玻璃基/环
方法,但过快的冷却速度又会导致焊点的焊接缺氧树脂,厚度为0.95mm,铜焊盘的厚度为0.03
陷.目前对回流焊接试验与生产中常遇到的焊点m,PBGA预制置球和焊膏均为Sn3:-8Ag0.7Cu,
裂纹现象,大多从界面反应来解释,但焊点裂纹失效焊点半径为0.225m,焊点高度为0.34m.焊点
归根结底是材料的力学行为所造成.对于微焊接表和焊盘采用映射网格划分,其它材料采用智能网格
面贴装技术,优化回流焊工艺的重要性尤为突出,良划分回流焊模拟中各材料均采用适合于焊接热结
好的焊接工艺温度曲线是提高微焊接可靠性的前提构耦合分析的专用耦合场单元 PLANEI3.在温度循
条件
环试验和模拟中,焊料的蠕变在交变载荷的作用下
回流焊是一个瞬时、动态的过程,由于球栅阵列会导致焊点裂纹的倾向有所增加,但在回流焊冷却
PBGA( plastic ball grid array)焊点的几何尺寸微小,
这一过程直接观察和间接测试都难以实现.回流焊
树脂
芯片
基板
接过程中,材料力学性能随温度变化表现为非线性
由于变温条件和结构形式的复杂性,采用传统的解
析方法精确求解瞬态温度场是非常困难的.有限元
模拟是目前解决该问题的有效方法?.应用适合于
焊接温度一应力场热分析的有限元热结构耦合功
印刷电路板 Snagcu焊点铜焊盘
图1有限元几何模型
收稿日期:2011-05-23
ig. 1 Geometry
mode
万方数据
6
焊接学报
第33卷
过程中,蠕变对焊点裂纹的产生并不是主要的影响
因素
模拟中输入的各材料性能参数如表1所示.通
常情况下,固态时材料的弹性模量都远高于该材料
在液态时的弹性模量(体积模量),因此将焊料处于
熔融状态时的弹性模量设为10-°GPa,不会对最终
的结果产生太大的影响
1.2回流焊模拟分析计算过程
图2有限元网格模型
有限元模型选取印刷电路板两侧约東其所有自
Fig 2 Finite element model
由度.Sn-Ag-Cu焊料的共晶温度为217℃,典型回
表1用于有限元分析的材料性能参数
Table 1 Material properties used in this simulation
热传导系数
线膨胀系数
弹性模量
泊松比
密度
比热容
材料
A/(W?m-1?K-1)
c/10-6K-1
E/Cpa
p/(gcm)C/(J.kg-1k-1)
46.3(25℃)
Sn-3. 8ag-0. 7cu
64
24.5
0.35
7390
261.6
28.6(150℃)
FR4PCB板
x:15;y:5
0.3
1800
Epoxy树脂
0.7
0.25
片
138.5
2.8
131
0.42
BT基板
0.71
x:15.5;y:52.5
18.2
1800
1000
铜焊盘
385
16.6
117
0.35
8960
389
流焊工艺的焊接峰值温度为245℃.经过回流区后
进入回流焊冷却阶段,空气对流系数为13.9
W/(m2?K).在冷却开始时,焊料处于熔融状态,因
此计算前将所有焊点单元“杀死”,即焊料进入零力
168.770
学性能状态.“杀死”的单元将不参与求解,其上的
170209
171.648
载荷与约束也都不计入载荷矩阵,从而忽略其对系
174.526
统矩阵的影响.Kang等人?对Sn-3.8Ag0.7Cu的
175.965
177.403
B-Sn凝固温度进行了试验,发现其冷却凝固温度与
178.842
焊料的熔点温度之间的差值为29.8℃,即Sn-3.8
181.720
Ag-0.7Cu焊料的冷却凝固温度为187.2℃.根据
Kang的试验结果,设定焊料低于187.2℃时,被“杀
图3冷凝固化后5S时温度场分布
死”的单元将被“激活”,当单元被重新激活后,将
Fig 3 Temperature distribution at 5 s
恢复它原本赋予的单元质量、刚度和载荷等数值,对
于被激活的单元,既不会有应变的记录也不存在热
量的存储.焊点完全冷却凝固后所有焊料单元都将
承受结构载荷并产生应力应变.
25.237
2结果与分析
25.337
25.436
25.535
25.634
图3和图4分别表示PBGA焊点冷凝固化后
150s时最外侧焊点的温度场分布
26.031
由图3和图4可以看出,回流焊冷却过程中组
件内温度场不均匀,存在温度梯度.由温度梯度导
图4冷凝固化后150S时温度场分布
致结构变形并存在